Америций-241

редактировать

Америций-241, Am
Общие
Маленькая кнопка, содержащая AmO 2 от дымовой пожарной сигнализации
Символ	Am
Названия	америций-241, Am-241
Протоны	95
Нейтроны	146
Данные о нуклидах
Естественное содержание	0 (синтетический )
Период полураспада	432,2 года
Исходные изотопы	Pu (β ). Cm (EC ). Bk (α )
Продукты распада	Np
Масса изотопа	241.056829144 u
Спин	5 / 2-
Избыточная энергия	52936.008 кэВ
Энергия связи	7543,272 кэВ
Режимы распада
Режим распада	Энергия распада (МэВ )
α-распад (альфа)	5,486
γ-излучение (гамма)	0,0595409
CD (распад кластера)	93,923
Изотопы америция. Полная таблица нуклидов

Америций-241 (Am, Am-241 ) - это изотоп америция. Как и все изотопы америция, он радиоактивен, с период полураспада составляет 432,2 года. Am - наиболее распространенный изотоп из америция, а также самый распространенный изотоп америция в ядерных отходах. Обычно он используется в детекторах дыма ионизационного типа и является потенциальным топливом для долговечных радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов). Его общие родительские нуклиды - это β из Pu, EC из Cm и α из Bk. Am - делящийся, а критическая масса голой сферы составляет 57,6-75,6 кг, а диаметр сферы - 19-21 сантиметр. Америций-241 имеет удельную активность 3,43 Ки / г (кюри на грамм или 126,8 гигабеккерелей (ГБк) на грамм). Обычно он находится в форме диоксида америция-241 (AmO 2). Этот изотоп также имеет одно метасостояние, Am, с энергией возбуждения 2,2 МэВ и периодом полураспада 1,23 мкс. Присутствие америция-241 в плутонии определяется исходной концентрацией плутония-241 и возрастом образца. Из-за низкого проникновения альфа-излучения америций-241 представляет опасность для здоровья только при проглатывании или вдыхании. Более старые образцы плутония, содержащие плутоний-241, содержат скопление Am. В некоторых случаях может потребоваться химическое удаление америция-241 из переработанного плутония (например, при переработке плутониевых карьеров ).

Содержание

1 Нуклеосинтез
2 Распад
3 Применение
- 3.1 Детектор дыма ионизационного типа
  - 3.1.1 Производственный процесс
- 3.2 Выработка энергии RTG
- 3.3 Источник нейтронов
- 3.4 Производство других элементов
- 3.5 Спектрометр
- 3.6 Медицина
4 Опасности
5 См. Также
6 Ссылки

Нуклеосинтез

Америций-241 был произведен в небольшие количества ядерных реакторов в течение десятилетий, и к настоящему времени накоплено много килограммов Am. Тем не менее, с тех пор, как он был впервые выставлен на продажу в 1962 году, его цена, около US $ 1500 за грамм Am, остается почти неизменной из-за очень сложной процедуры разделения.

Америций-241 синтезируется не непосредственно из урана - наиболее распространенного реакторного материала - а из изотопа плутония Pu. Последние должны быть получены в первую очередь в соответствии со следующим ядерным процессом:

92 238 U → (n, γ) 92 239 U → 23,5 мин β - 93 239 N p → 2,3565 d β - 94 239 P u {\ displaystyle \ mathrm {^ {238} _ {\ 92} U \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 92} ^ {239} U \ {\ xrightarrow [{23,5 \ min}] { \ beta ^ {-}}} \ _ {\ 93} ^ {239} Np \ {\ xrightarrow [{2.3565 \ d}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 94} ^ {239} Pu }}

\ mathrm {^ {238} _ {\ 92} U \ \ xrightarrow {(n, \ gamma)} \ ^ {239} _ {\ 92} U \ \ xrightarrow [23,5 \ мин] {\ beta ^ -} \ ^ {239} _ {\ 93} Np \ \ xrightarrow [2.3565 \ d] {\ beta ^ -} \ ^ {239} _ {\ 94} Pu}

Захват двух нейтронов Pu (так называемая (n, γ) реакция) с последующим β-распадом приводит к Am:

94 239 P u → 2 (n, γ) 94 241 P u → 14,35 года β - 95 241 A m {\ displaystyle \ mathrm {^ {239} _ {\ 94} Pu \ {\ xrightarrow {2 ~ (n, \ gamma)}} \ _ {\ 94} ^ {241} Pu \ {\ xrightarrow [{14.35 \ yr}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 95} ^ {241} Am}}

{\ displaystyle \ mathrm {^ {239} _ {\ 94} Pu \ {\ xrightarrow {2 ~ (n, \ gamma)}} \ _ {\ 94} ^ {241} Pu \ {\ xrightarrow [{14.35 \ yr}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 95} ^ {241} Am}}

Плутоний, присутствующий в отработавшем ядерном топливе, содержит около 12% Pu. Поскольку он преобразуется в Am, Pu может быть извлечен и может использоваться для дальнейшего получения Am. Однако этот процесс довольно медленный: половина исходного количества Pu распадается до Am примерно через 14 лет, а количество Am достигает максимума через 70 лет.

Полученный Am можно использовать для получения более тяжелого америция. изотопов путем дальнейшего захвата нейтронов внутри ядерного реактора. В легководном реакторе (LWR) 79% нейтронов, захваченных Am, конвертируются в Am и 10% - в его ядерный изомер Am:

79%:

95 241 A m → (n, γ) 95 242 A m {\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ { 242} Am}}

{\ mathrm {^ {{241}} _ {{\ 95}} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma) }} \ _ {{\ 95}} ^ {{242}} Am}}

Распад

Америций-241 распадается в основном за счет альфа-распада со слабым побочным продуктом гамма-излучения. Α-распад показан следующим образом:

$95 241 A m ⟶ 432,2 y 93 237 N p + 2 4 α 2 + + γ 59,5409 ke V {\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ { \ 95} Am \ {\ overset {432.2y} {\ longrightarrow}} \ _ {\ 93} ^ {237} Np ~ + ~ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} + \ gamma ~ 59,5409 ~ кэВ}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ {\ 95} Am \ {\ overset {432.2y} {\ longrightarrow}} \ _ {\ 93} ^ {237} Np ~ + ~ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} + \ gamma ~ 59,5409 ~ кэВ}}$

Энергии α-распада составляют 5,486 МэВ для 85% времени (тот, который широко принят для стандартной энергии α-распада), 5,443 МэВ для 13% времени время и 5,388 МэВ для остальных 2%. Энергия γ-квантов по большей части составляет 59,5409 кэВ, с небольшими количествами других энергий, таких как 13,9 кэВ, 17,8 кэВ и 26,4 кэВ.

Второй Наиболее распространенный тип распада, которому подвергается америций-241, - это спонтанное деление, с коэффициентом ветвления 3,6 × 10 и происходящим 1,2 раза в секунду на грамм Am. Оно записано как таковое (звездочка обозначает возбужденное ядро):

$95 241 A m ⟶ 95 241 A m ∗ ⟶ 3 0 1 n + продукты деления + энергия (γ) {\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ longrightarrow ~ _ {\ 95} ^ {241} Am ^ {*} \ longrightarrow 3_ {0} ^ {1} n ~ + ~ продукты деления ~ + энергия ~ (\ gamma)}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ longrightarrow ~ _ {\ 95} ^ {241} Am ^ {*} \ longrightarrow 3_ {0} ^ {1} n ~ + ~ продукты деления ~ + энергия ~ (\ gamma)}}$

Наименее распространенным (самым редким) типом распада америция-241 является распад кластера Si с коэффициентом ветвления менее 7,4 × 10. Он записывается следующим образом:

$95 241 A m ⟶ 81 207 T l + 14 34 S i {\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ {\ 95} Am \ longrightarrow _ {\ 81} ^ {207} Tl + _ {14} ^ {34} Si}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ {\ 95} Am \ longrightarrow _ {\ 81} ^ {207} Tl + _ {14} ^ {34} Si}}$

Применения

Детектор дыма ионизационного типа

Америций-241 - единственный синтетический изотоп, который обнаружил в дом, где наиболее распространенный тип детектора дыма (ионизационный) использует AmO 2 (диоксид америция-241) в качестве источника ионизирующего излучения. Этот изотоп предпочтительнее Ra, поскольку он испускает в 5 раз больше альфа-частиц и относительно мало вредного гамма-излучения. При периоде полураспада 432,2 года америций в детекторе дыма уменьшается и включает около 3% нептуний через 19 лет и около 5% через 32 года. Количество америция в типичном новом дымовом извещателе составляет 0,29 микрограмма (примерно одна треть веса песчинки) с активностью 1 микрокюри / 37 килобеккерелей (1,0 мкКи). / 37 кБк ). Некоторые старые промышленные детекторы дыма (особенно от Pyrotronics Corporation) могут содержать до 80 мкКи. Количество Am уменьшается медленно, поскольку он распадается на нептуний-237, другой трансурановый элемент с гораздо более длительным периодом полураспада (около 2,14 миллиона лет). Излучаемые альфа-частицы проходят через ионизационную камеру, заполненное воздухом пространство между двумя электродами, которое пропускает небольшой постоянный электрический ток проходить между пластинами конденсатора из-за излучения, ионизирующего воздушное пространство между ними. Любой дым, попадающий в камеру, блокирует / поглощает часть альфа-частиц от свободного прохода и снижает ионизацию и, следовательно, вызывает падение тока. Схема сигнализации обнаруживает это падение тока и, как следствие, вызывает срабатывание пьезоэлектрического зуммера. По сравнению с альтернативным оптическим детектором дыма ионизационный детектор дыма дешевле и может обнаруживать частицы, которые слишком малы, чтобы вызывать значительное рассеяние света. Однако он более подвержен ложным срабатываниям.

Производственный процесс

Процесс производства америция, который используется в кнопках детекторов дыма ионизационного типа, начинается с диоксида америция. AmO 2 тщательно смешивают с золотом, формуют в брикет и плавят под давлением и нагреванием при температуре более 1470 ° F (800 ° C). На брикет наносят серебряную основу и лицевое покрытие из золота (или сплава золота или палладия ) и запечатывают горячей штамповкой. Затем брикет проходит несколько стадий холодной прокатки для достижения желаемой толщины и уровня излучения. Конечная толщина составляет около 0,008 дюйма (0,2 мм), при этом золотое покрытие составляет около одного процента толщины. Полученную полосу фольги шириной около 0,8 дюйма (20 мм) разрезают на секции длиной 39 дюймов (1 метр). Источники выбиты из фольги. Каждый диск диаметром около 0,2 дюйма (5 мм) устанавливается в металлический держатель, обычно изготовленный из алюминия. Держатель - это корпус, а это большая часть того, что видно на кнопке. Тонкий обод держателя перекатывается, чтобы полностью закрыть обрезанную кромку вокруг диска.

Выработка энергии RTG

As Am имеет примерно такой же период полураспада, как Pu (432,2 года по сравнению с 87 лет), он был предложен в качестве активного изотопа радиоизотопных термоэлектрических генераторов для использования в космических аппаратах. Несмотря на то, что америций-241 производит меньше тепла и электричества, чем плутоний-238 (выходная мощность составляет 114,7 мВт / г для Am по сравнению с 390 мВт / г для Pu), его излучение представляет большую опасность для людей из-за По сравнению с гамма- и нейтронным излучением, он имеет преимущества для длительных миссий благодаря значительно большему периоду полураспада. Европейское космическое агентство работает над РИТЭГами на основе америция-241 для своих космических зондов из-за глобальной нехватки плутония-238 и легкого доступа к америцию-241 в Европе после переработки ядерных отходов.

Его требования к экранированию в РИТЭГе - вторые самые низкие из всех возможных изотопов: только Pu требует меньше. Преимущество перед Pu состоит в том, что он образуется как ядерные отходы и почти изотопно чист. Проектные образцы РИТЭГов Am рассчитаны на 2-2,2 Вт e / кг для конструкции РИТЭГов 5-50 Вт e, что ставит РИТЭГы Am наравне с РИТЭГами Pu в этом диапазоне мощностей.

Источник нейтронов

Оксиды Am, спрессованные с бериллием, могут быть очень эффективными источниками нейтронов, поскольку они испускают альфа-частицы в течение радиоактивный распад :

95 241 A m ⟶ 432,2 y 93 237 N p + 2 4 α 2 + + γ 59,5 ke V {\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ {\ 95} Am \ { \ overset {432.2y} {\ longrightarrow}} \ _ {\ 93} ^ {237} Np \ + \ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} + \ \ gamma ~ 59,5 ~ кэВ}}

{\ displaystyle \ mathrm {^ {241 \! \,} _ {\ 95} Am \ {\ overset { 432.2y} {\ longrightarrow}} \ _ {\ 93} ^ {237} Np \ + \ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} + \ \ gamma ~ 59,5 ~ кэВ}}

Здесь америций действует как альфа-источник, а бериллий производит нейтроны из-за своего большого сечения для (α, n) ядерной реакции:

4 9 B e + 2 4 α 2 + ⟶ 6 12 C + 0 1 n + γ {\ textstyle \ mathrm {^ {9} _ {4} Be \ + \ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} \ longrightarrow \ _ {\ 6} ^ {12} C \ + \ _ {0} ^ {1} n \ + \ \ gamma}}

{\ textstyle \ mathrm {^ {9} _ {4} Be \ + \ _ {2} ^ {4} \ alpha ^ {2 +} \ longrightarrow \ _ {\ 6} ^ {12} C \ + \ _ {0} ^ {1} n \ + \ \ gamma}}

Наиболее распространенным использованием источников нейтронов AmBe является нейтронный зонд - устройство, используемое для измерения количества вода prese в почве, а также влажность / плотность для контроля качества при строительстве автомагистралей. Источники Am-нейтронов также используются в каротажных исследованиях, а также в нейтронной радиографии, томографии и других радиохимических исследованиях.

Производство других элементов

Диаграмма, показывающая актиниды, их распады и трансмутации.

Америций-241 иногда используется в качестве исходного материала для производства других трансурановых элементов и трансактинидов - например, нейтронная бомбардировка Am дает Am:

$95 241 A m → (n, γ) 95 242 A m {\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ {\ xrightarrow {( n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {242} Am}}$ ${\ mathrm {^ {{241}} _ {{\ 95}} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma) }} \ _ {{\ 95}} ^ {{242}} Am}}$

Оттуда 82,7% Am распадается до Cm и 17,3% до Pu:

82,7% → $95 241 A m → (n, γ) 95 242 A m → 16,02 ч β - 96 242 C m {\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ {\ xrightarrow { (n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {242} Am \ {\ xrightarrow [{16.02 \ h}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 96} ^ {242} Cm }}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {242} Am \ {\ xrightarrow [{16.02 \ h}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 96} ^ {242} Cm}}$

17,3% → $95 241 A m → (n, γ) 95 242 A m → 16,02 ч β + 94 242 P u {\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {242} Am \ {\ xrightarrow [{16.02 \ h}] {\ beta ^ {+}}} \ _ {\ 94} ^ {242} Pu}}$ ${\ displaystyle \ mathrm {^ {241} _ {\ 95} Am \ { \ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {242} Am \ {\ xrightarrow [{16.02 \ h}] {\ beta ^ {+}}} \ _ {\ 94} ^ { 242} Pu}}$

В ядерном реакторе Am также подвергается повышенному преобразованию нейтронами захват в Am и Am, который преобразуется посредством β-распада в Cm:

95 242 A m → (n, γ) 95 243 A m → (n, γ) 95 244 A m → 10,1 ч β - 96 244 C м {\ displaystyle \ mathrm {^ {242} _ {\ 95} Am {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} ~ _ {\ 95} ^ {243} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {244} Am \ {\ xrightarrow [{10.1 \ h}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 96} ^ {244} Cm}}

{\ displaystyle \ mathrm {^ {242} _ {\ 95} Am {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} ~ _ {\ 95} ^ {243} Am \ {\ xrightarrow {(n, \ gamma)}} \ _ {\ 95} ^ {244} Am \ {\ xrightarrow [{10.1 \ h}] {\ beta ^ {-}}} \ _ {\ 96} ^ {244} Cm}}

Облучение Am ионами C или Ne дает изотопы Es (эйнштейний ) или Db (дубний ) соответственно. Кроме того, элемент берклий (изотоп Bk) был впервые намеренно произведен и идентифицирован путем бомбардировки Am альфа-частицами в 1949 году той же группой в Беркли с использованием того же 60-дюймового циклотрона, который использовался для много предыдущих экспериментов. Аналогичным образом нобелий был получен в Объединенном институте ядерных исследований, Дубна, Россия, в 1965 году в нескольких реакциях, одна из которых включала облучение Am с N ионы. Кроме того, одна из реакций синтеза лоуренсия, открытая учеными в Беркли и Дубне, включала бомбардировку Am с помощью О.

Спектрометр

Америций-241. как портативный источник гамма-излучения и альфа-частиц для ряда медицинских и промышленных целей. Излучение гамма-излучения 59,5409 кэВ от Am в таких источниках можно использовать для косвенного анализа материалов в радиографии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии, а также для контроля качества в фиксированных ядерные плотномеры и ядерные плотномеры. Например, этот изотоп был использован для измерения толщины стекла для создания плоского стекла. Америций-241 также подходит для калибровки гамма-спектрометров в области низких энергий, поскольку его спектр состоит почти из одного пика и незначительного комптоновского континуума (по крайней мере, на три порядка меньшей интенсивности).

Медицина

Гамма-лучи америция-241 были использованы для пассивной диагностики функции щитовидной железы. Это медицинское приложение устарело. Гамма-излучение америция-241 позволяет получать рентгенограммы приемлемого качества с 10-минутным временем воздействия. Рентгенограммы Am были получены только экспериментально из-за длительного времени воздействия, которое увеличивает эффективную дозу для живых тканей. Уменьшение продолжительности воздействия снижает вероятность событий ионизации, вызывающих повреждение клеток и ДНК, и является важным компонентом принципа «время, расстояние, защита», используемого в радиационной защите.

Опасности

Америций- 241 имеет те же общие опасности, что и другие изотопы америция: он чрезвычайно токсичен и радиоактивен. Хотя α-частицы можно задержать с помощью листа бумаги, проглатывание α-излучателей вызывает серьезные проблемы со здоровьем. Америций и его изотопы также очень химически токсичны в виде токсичных тяжелых металлов. Всего 0,03 мкКи (1110 Бк) является максимально допустимой нагрузкой на организм для Am.

Америций-241 - это альфа-излучатель со слабым побочным продуктом гамма-излучения. Безопасное обращение с америцием-241 требует знания и соблюдения надлежащих мер предосторожности, поскольку без них это было бы чрезвычайно опасно. Его удельная константа гамма-дозы составляет 3,14 x 10 мР / час / мКи или 8,48 x 10 мЗв / час / МБк на расстоянии 1 м.

При потреблении америций-241 выводится из организма в течение нескольких дней и абсорбируется только 0,05%. в крови. Оттуда примерно 45% попадает в печень и 45% - в кости, а оставшиеся 10% выводятся из организма. Поглощение печенью зависит от человека и увеличивается с возрастом. В костях америций сначала откладывается на кортикальных и трабекулярных поверхностях и со временем медленно перераспределяется по кости. Биологический период полураспада Am составляет 50 лет в костях и 20 лет в печени, тогда как в гонадах (яичках и яичниках) он сохраняется постоянно; во всех этих органах америций способствует образованию раковых клеток в результате своей радиоактивности.

Америций-241 часто попадает на свалки из выброшенных детекторов дыма. Правила, связанные с утилизацией дымовых извещателей, ослаблены в большинстве юрисдикций. В США «Радиоактивный бойскаут» Дэвид Хан смог сконцентрировать америций-241 из детекторов дыма после того, как ему удалось купить сотню из них по остальным ценам, а также украсть несколько. Было несколько случаев воздействия америция-241, худшим из которых был случай Гарольда МакКласки, который в возрасте 64 лет подвергся воздействию америция-241 в 500 раз превышающему профессиональный стандарт для америция-241 в результате взрыв в его лаборатории. Маккласки умер в возрасте 75 лет не в результате воздействия, а от болезни сердца, которая была у него до аварии.

См. Также

Изотопы америция